A ferrocén a mezőgazdaságban: az agrokémiai szerektől és a talajjavítástól a szelektív kemoszenzorokig

A ferrocéntartalmú agrokémiai szerek

A termésvédelem fontos kérdés a mezőgazdaságban, amit részben a kártevők elleni védekezésben vagy gyomirtóként használt vegyszerek tesznek lehetővé. Másrészt a peszticidek egészségre és környezetre gyakorolt káros hatásai miatti növekvő aggodalom, amelyet az új peszticid-regisztrációs eljárások bevezetése is bizonyít (lásd például az Egyesült Államokban az élelmiszer-minőségvédelmi törvényt ), új peszticidek, köztük természetes termék alapú peszticidek vizsgálatára késztetett azon vegyületek helyettesítésére, amelyeket az új regisztrációs követelmények miatt már nem lehetett használni. Példák számos áttekintésben találhatók. A hatékonyabb vegyületek előállítására tett kísérlet során a ferrocenilcsoportot szubsztituensként vezették be az aktívnak ismert vegyületekbe.

A növényi kórokozókkal szemben széles spektrumú gombaölő hatással rendelkező fontos szisztémás szerek az 1H-1,2,4-triazol származékok, mint például a 2. ábrán láthatóak.

Ezért nem meglepő, hogy a legtöbb ferrocén alapú agrokémiai szer (gombaölő szerek, gyomirtók) ugyanazt a heterociklust tartalmazza. Ráadásul elég gyakran ugyanezek a vegyületek ígéretes és némileg váratlan növénynövekedést szabályozó aktivitást mutattak. A szintézis meglehetősen egyszerű, az 1. acetil-ferrocénből vagy a 2. ferrocén-karbaldehidből kiindulva, klasszikus szerves reakciókat alkalmazva, amint azt a 3. és 4. ábra szemlélteti.

E and Z isomers of 3-aryl-1-ferrocenyl-2-triazolyl derivatives, 3, were tested for preventive fungicidal activity against powdery mildew on barley (foliar and soil drench applications) and for curative fungicidal activity against brown rust on wheat (foliar application). Selected results from foliar applications are reported in Table 1 (entry 1). Az E izomerek jobb fungicid aktivitást mutattak, mint a Z izomerek, valószínűleg a kedvező sztérikus tulajdonságnak köszönhetően. Továbbá, a magról nevelt növények almaleveleinek permetezésével növénynövekedést szabályozó aktivitást mutattak ki. Mindkét izomert fenilhidrazinnal reagáltatva (3. ábra) 5-aril-3-ferrocenil-1-fenil-4-triazoli-dihidropirazolokat (4) kaptunk, amelyeket néhány baktériumtörzzsel szemben teszteltünk, nem túl kielégítő eredményekkel.

A triazolgyűrűt a ferrocénből egy újabb szénatom beillesztésével távolítottuk el , és az így kapott (E)-3-aril-1-ferrocénil-2-triazolil-metil származékokat, 5, (3. ábra) néhány gomba (Pratylenchus zeae, Alternaria solani, Cladosporium fulvum, Physalospora piricola és Cercospora arachidicola) ellen teszteltük, változó aktivitással, általában jobban az A. solani ellen (1. táblázat, 2. bejegyzés). A fenilhidrazin reakcióból származó származékok, 6, ezúttal jobb teljesítményt mutattak (1. táblázat, 3. bejegyzés).

A triadimefon ferrocenil-analógjait, 7, intravitalis búzanövényeken (Isariopsis clavispora, Bremia lactucae, C. fulvum, Erysiphe graminis és Alternaria mali), de kiábrándító módon valamennyi vizsgált vegyület alacsonyabb gombaölő hatást mutatott (lásd a példákat az 1. táblázat 4. bejegyzésében) valamennyi gomba ellen, mint az alaptriadimefon (92,8% és 96,6%). Ehelyett a növényi szabályozó aktivitás, amelyet uborka-kotyledon rizogenezis módszerével vizsgáltak, kiváló eredményt mutatott.

A triadimefon analógjainak redukciójával a triadimenol megfelelő ferrocenil-analógjait, 8, kaptuk . Ezeket a fentiekben a triadimefon analógoknál jelzett módon vizsgáltuk, és általában nem mutattak gombaellenes aktivitást (1. táblázat, 5. bejegyzés), azonban mindegyikük kiváló növényi növekedésszabályozó képességet mutatott, még a keto prekurzoroknál is nagyobbat.

Az OH-ról OMe-re való átváltás, 9 . enyhe szerkezeti eltérés volt . Öt gombát (P. zeae, A. solani, C. fulvum, P. piricola és C. ara) használtunk, szerény eredményekkel (lásd a kiválasztott példákat az 1. táblázat 6. bejegyzésében). Érdekes eredményeket kaptunk a növényi növekedést szabályozó aktivitásból, amelyet a búza gemmák megnyúlásával és az uborka sziklevelek gyökeresedésével határoztunk meg.

A triazolt tartalmazó ferrocénszármazékok szintézisének más megközelítése a ferrocén-karbaldehidből és α-brom-arilketonokból kiindulva történt, ami lehetővé tette a szerkezeti variációkat (4. ábra).

A vegyületek három családját (CO, 11, OH, 12, illetve OMe, 13 funkcionalitással) vizsgáltuk biológiai aktivitás szempontjából. Kevés növényi növekedést szabályozó aktivitást figyeltek meg (búza koleoptile és uborka cotyledon tesztek), valamivel kevesebbet a ketonok esetében. Némi gombaellenes in vitro aktivitást regisztráltak (Gibberella zeae, A. solani, Cercospora arachidicola, P. piricola, Phomopsis asparagi, Cladosporium cucumerinum, Sclerotinia sclerotiorum és Pyricularia oryzae ellen), de a szerzők szerint ez nem volt jelentős, ha ismert kereskedelmi szerekkel hasonlították össze. Néhány kiválasztott adat az 1. táblázatban látható (8-10. bejegyzés).

A különböző funkcionalitású ferrocenilszármazékokat is vizsgálták. Figyelemre méltó, hogy a biológiailag aktív ferrocének egyik első kísérlete aroilhidrazineket vezetett be szubsztituensként (5. ábra ): több mint egy évtizeddel később elismerték a természetes hidrazin-tartalmú vegyületek jelentőségét, a biológiai aktivitás tekintetében is .

N-tert-butyl-N,N′-diacylhydrazines, mimicking the action of 20-hydroxyecdysone to activate the ecdysone receptor, lead to lethal premature molting, thus constituting a class of insect growth regulators useful in crop protection. The larvicidal activities were tested against Southern armyworm by foliar application. Results (Figure 6) indicate a good larvicidal activity, in comparison with the reference RH5849 (N-tert-butyl-N,N′-dibenzoylhydrazine) only when the tert-butyl group was far from ferrocenyl moiety.

1,1′-Disubstitued ferrocenes with different keto-ester, hydroxy-ester, and dihydroxy functionalities on both cyclopentadienyl rings were prepared (Figure 7 ) and assayed in vitro for antifungal activity against G. zeae, A. solani, C. arachidicola, P. piricola, and Fusarium oxysporum. The compounds showed relatively low fungicidal activity.

Instead, ferrocenyl ethers , much easier to prepare (Figure 8) than previous diferrocenyl derivatives, showed moderate activity against two plant fungi, Botrytis cinerea and Penicillium species (Table 2).

Among herbicides, it is important to mention a series of cyanoacrylates containing ferrocene (Figure 9 ), that exhibited, according to the authors, excellent herbicidal activities against rape weeds.

More recently, a series of ferrocenes substituted with pyrimidines (17 to 20, Figure 10) were prepared , because of their potentialities as herbicides and plant growth regulators, but the biological activities have not been tested yet. Ugyanez vonatkozik a trifluor-metilszulfanilferrocénre, 21, a (trifluor-metilszulfanil)etinilferrocénre, 22 és az (N-ferrocenil-metil)benzolkarbamidra, 23 , amelyek a 10. ábrán láthatók.

A ferrocének mint katalizátorok az agrokémiai anyagok szintézisében

Az agrokémiai anyagok jelentősége nyilvánvaló, ugyanakkor nem szabad alábecsülni használatuk környezeti következményeit sem. Ezért fontos a környezetbe kerülő vegyi anyagok mennyiségének korlátozása. Ráadásul egyre nyilvánvalóbbá vált, hogy a királis agrokémiai anyagok biológiai tulajdonságai az abszolút konfigurációval függnek össze. A nem aktív enantiomer felesleges vagy akár káros is lehet, így az enantioszelektív szintézis szükségszerűvé vált. A problémát jól szemlélteti az (S)-metolaklór esete (11. ábra, IUPAC: (S)-N-(2-etil-6-metil)fenil-N-(1-metil-2-metoxi)etil-2-klóretanammid), a Novartis növényvédelmi részlegének legfontosabb gyomirtója (>20 000 tonna/év).

Az 1978 óta gyártják, először racém keverékként, majd (1997-től) enantiomerrel dúsított formában, ami lehetővé tette a környezetterhelés 40%-os csökkentését. Az aszimmetrikus szintézis egyik legfontosabb stratégiája a királis katalizátorok alkalmazása. A metolaklór aszimmetrikus szintézisének fordulópontja egy irídium katalizátor használata volt, amelyet egy királis ferrocenil-pozofán ligandummal, a Josifosszal tettek királissá. A katalizátor elég robosztus volt ahhoz, hogy nagyon magas fordulatszámot (TON) és fordulatszámfrekvenciát (TOF) biztosítson.

A ferrocéneket nem ismerő olvasó számára elegendő annyit mondani, hogy ugyanazon ciklopentadienilgyűrű két különböző szubsztituenséből két enantiomer keletkezik, amelyek síkbeli kiralitással rendelkeznek (12. ábra). Az egyes enantiomereket R p vagy S p (ahol a p a planárisat jelenti) jelöli, Schlögl szabályai szerint: a megfigyelő a ferrocén C 5 tengelye mentén a magasabban szubsztituált Cp gyűrű oldaláról néz, és az abszolút konfigurációt attól függően adja meg, hogy az óramutató járásával megegyező irányban vagy az óramutató járásával ellentétes irányban a legrövidebb íven halad lefelé.

A Josiphos és Xyliphos módosításának sikere fellendítette mind a királis katalizátorok ipari alkalmazását, mind az új királis ferrocének szintézisét, valamint aszimmetrikus szintézisekben való felhasználását . Így az első Josifosz volt az alapvegyülete a hatékony királis ligandumok családjának, amelyek más, a mezőgazdaságban hasznos vegyületek enantioszelektív szintézisében találtak alkalmazást. Hogy csak egy példát említsünk, a gyógyszerek, agrokémiai szerek és funkcionális anyagok szempontjából hasznos molekulák, a tercier α-fluoroketonok aszimmetrikus allilálását többek között királis ferrocenil katalizátorokkal végezték (13. ábra, ). Sajnos az e.e.-k túl alacsonyak ahhoz, hogy hasznosak legyenek.

Ferrocének a talaj remediációjában

A talajok aktív komponenseként jelentek meg az őshonos agyagok, amelyek befolyásolják a kationok, anionok és hidrofób szerves vegyi anyagok szorpcióját. Ezért egyre nagyobb a jelentőségük a szennyező anyagok eltávolításában és visszatartásában, azért is, mert az agyagrácsban lévő vasionok részt vesznek redoxireakciókban, amelyek hasznosak lehetnek a fémion-szennyezés ellen ; például a washingtoni Hanford telephely kutatói a vízellátásban lévő Cr(VI) mennyiségét 1 ppm-ről a kimutatási határérték alá (7-8 ppb) tudták csökkenteni, a kevésbé mérgező és kevésbé oldódó Cr(III)-ra redukálva azt, kihasználva az agyag szerkezeti vasát, amely korábban Fe(II)-re redukálódott.

A szennyezett talajok kármentesítése érdekében a felületaktív anyagok alkalmazása egyre nagyobb jelentőséggel bír. A ferrocén alapú tenzidek előnye, hogy egyszerre működnek tenzidként és redox-aktív vegyületként. Ezért különböző lánchosszúságú ferrocenil tenzidek sorozatát alkalmaztuk interkalánsként, hogy meghatározzuk azokat a feltételeket, amikor az elektronátvitel az agyagszerkezeti Fe-ben zajlik. Ezzel a vizsgálattal jobb általános ismereteket lehetett szerezni a természetes szilikátok Fe-aktivitásáról . Az interkalánsként használt, különböző lánchosszúságú ferrocenil felületaktív anyagok (25 és 26 a 14a. ábrán) mind a potenciálok, mind a lehetséges konformációk tartományát biztosították; agyagként a standard Wyoming-montmorillonit (SWy-1), képlete (Al2.88Fe0,68Mg0,47)(Si7,7Al0,29)O20(OH)4, használták.

The results indicated that ferrocenyl trimethylammonium derivatives with C6 (25) and C11 (26) chains can be oxidized by structural Fe(III) in clay, whereas ferrocenylmethyl trimethylammonium (24) is not oxidized (Figure 15).

Later, other ferrocenyl surfactants (27 and 28 in Figure 14b) were used to verify the possibility to exploit them as reversible surfactants . In fact, although the surfactant washing of contaminated soils and groundwater may be an effective approach, operating costs result high and the surfactants need to be recycled, in order to optimize surfactant-enhanced remediation (SER). As discussed in ref. , the methods developed are not satisfactory. Ebből a vizsgálatból kiderült, hogy a benzol, toluol és etilbenzol szolubilizációja ferrocenil felületaktív anyagokkal jobb volt, mint az általánosan használt kationos (hexadecil-trimetil-ammónium-bromid (CTABr)) vagy anionos (nátrium-dodecil-szulfát (SDS)) felületaktív anyagokkal. Ezenkívül az eltávolítás hatékonysága magasabb volt alacsony ferrocenil tenzidkoncentráció esetén, és végül a ferrocénium-kationná történő oxidáció lehetővé tette a szerves vegyületektől való elválasztást és ezáltal a tenzid újrahasznosítását.

Meg kell említeni, hogy a ferrocének hasznosnak bizonyultak az ásványi felületekre adszorbeált Fe(II) redox tulajdonságainak bizonyítására. Az értelmes nyugalmi potenciálok mérése környezeti és geokémiai rendszerekben a múltban nagyon nehéz volt, többek között a szilárd érzékelő elektród (általában Pt) és a redox-aktív faj közötti lassú elektronátvitel miatt. Ehelyett a ferrocén által közvetített elektrontranszfer megközelítés olyan mobil oldatszondákat hozott létre, amelyek elég gyorsan képesek reagálni a redoxi aktív fajokkal ahhoz, hogy mérhető áramot adjanak, így közvetlenül mérhetővé válik az adszorbeált redoxi aktív fajok redoxi reaktivitása (azaz az elektronátadási sebesség).

A ferrocének mint szenzorok

A ferrocénszármazékok optikai és elektrokémiai szenzorként is működhetnek. Megfelelően szubsztituálva képesek anionokat vagy kationokat koordinálni, ami potenciáleltolódást vagy színváltozást eredményez . Itt csak kiválasztott legújabb példákról számolunk be.

1. a)

   Semleges vegyületek. A hidrazin és származékai a mezőgazdaságban növényvédő szerként használatosak, de ipari kibocsátással is bekerülnek a környezetbe. Toxikológiai veszélyességük miatt érzékeny, megbízható és gyors analitikai módszerekre van szükség. Számos műszeres technika áll rendelkezésre, de az elektroanalitikai módszerek hordozható, olcsó és gyors eljárásokat biztosíthatnak, a kinetikailag kissé lassú hidrazin oxidáció ellenére. A szén nanocsöveket kihasználva a fenilhidrazin és a hidrazin elektrokatalitikus meghatározását egy ferrocénnel módosított szén nanocsöves pasztaelektróddal valósították meg. Az ilyen elektród stabil és könnyen előállítható, valamint felületmegújításon átesett elektródot eredményezett. Jobb szelektivitást mutatott, és lehetővé tette a hidrazin és a fenilhidrazin egyidejű kimutatását ugyanabban a mintában.

2. b)

   Anionok. Az aszpartát jelentősége tagadhatatlan: sok királis anionhoz hasonlóan belép a biológiai és kémiai folyamatokba, nem beszélve az iparilag fontos aszpartámról. Másrészt az enantioszelektív felismerés mesterséges gazdamolekulák által egyre nagyobb érdeklődésre tart számot . Számos 1,1′-diszubsztituált ferrocént állítottunk elő, amelyek szubsztituensében egy királis szénatom és egy tiokarbamid-rész található, és teszteltük enantioszelektív felismerésüket. Legalább kettő közülük jó királis felismerést mutatott, amint azt dimetil-szulfoxid (DMSO) oldatban L- vagy D-N-acetilaszpartáttal végzett optikai titrálással kimutatták. A színváltozások jelentősek, amint azt a 16. ábra szemlélteti, így ezek a ferrocének “szabad szemmel” kolorimetrikus érzékelők.

   

   Kolorimetrikus ferrocén alapú érzékelő N-acetilaszpartátra. Balról jobbra: ferrocenil-származék fent, ugyanaz + L-N-acetilaszpartát, ugyanaz + D-N-acetilaszpartát; ferrocenil-származék lent, ugyanaz + L-N-acetilaszpartát, ugyanaz + D-N-acetilaszpartát. Adaptálva a Ref. , Eur J Org Chem 841-849. Engedéllyel újranyomtatva. Copyright (2009) Wiley.

3. c)

   Kationok. A nehézfém-kationok kimutatása a környezetben nagy jelentőséggel bír az ipari forrásokból történő diffúziójuk és az egészségre gyakorolt hatásuk miatt. Különösen az ólommérgezés még mindig az egyik leggyakoribb környezeti eredetű betegség, és a Pb(II)-ionok kimutatása feltétlenül szükséges, különösen az ivóvízben . Miután sikerült felismerni a foszfátokkal kapcsolatos anionokat egy ferrocénlimidazofenantrolinnal, amely kolorimetriás és elektrokémiai szenzorként is működött, ugyanazok a szerzők imidazopiridinnel (ImPy) vagy imidazofenazinnal (ImPhen) helyettesített ferrocéneket állítottak elő (17. ábra), amelyek szelektív receptorként működtek a Pb(II)-kationokkal szemben.

   

   Szelektív többcsatornás szondák Pb(II)-kationok számára; a kationkomplexációhoz kapcsolódó színváltozások (fent abszorpció, lent emisszió). Adaptálva a Ref. , J Org Chem 74:4787-4796, engedéllyel újranyomtatva. Copyright (2009) American Chemical Society.

The compounds, reported in Figure 17, show highly selective affinity for Pb(II) ions over a range of other metal ions, through different channels, i.e., as redox, chromogenic, and fluorescent chemosensors. For example, compound ImP2 showed, upon complexation with Pb(II) cation, an oxidation redox peak anodically shifted (ΔE 1/2 = 150 mV), a red-shifted absorption maximum (Δλ = 44 nm) and an emission with an important chelation-enhanced fluorescence effect.

Más ferrocén alapú kemoszenzorokat – az egyik a Hg(II)-kationra, a másik a Cu(II)-kationra szelektív – 1,4-benzol-diamin 31, 4,4′-bifenil-diamin 32, vagy 4,4′-diaminobenzol-diszulfid 33 bevezetésével fejlesztettek ki . A vegyületek a Cu(II)-re és a Hg(II)-re igen érzékeny kolorometrikus kemoszenzorokat eredményeztek, olyan változásokkal, amelyek lehetővé tették a “szabad szemmel” történő észlelést, amint az a 19. ábrán látható.